軍用航空相機發展分析與展望

項劍鋒 李保霖 劉明 陳志超

摘 要：軍用航空偵察相機是目前最常見、應用最廣泛的航空偵察設備，通過分析典型的幾種航空偵察相機的特點，根據該領域的發展形勢以及主要西方國家的裝備情況，結合每種相機的優缺點、應用前景和方便實用性，提出了航空偵察相機數字化、面陣、遠距離傾斜式高分辨率、多光譜及集成吊艙的主要研究方向和發展趨勢。

關鍵詞：航空偵察相機；CCD相機；面陣CCD；長焦斜視相機；多光譜成像

中圖分類號：V245.6 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）12-0222-04

1 引言

如圖1所示，現代戰爭已進入多元化、全方位、海量數據融合的信息制導時代，航空偵察獲得的情報信息對于把握戰機、制定策略起到關鍵性作用，它不僅具有時效性強、目標明確和機動靈活等特點，又可以對目標進行精確的定位和跟蹤，因而在現代戰爭中發揮著巨大的作用。航空偵察相機是目前最常見、應用最廣泛的航空偵察設備，它起源于一戰后期，經歷了近一個世紀的發展歷程，其功能和性能得到了不斷的改善和提高。

2 航空偵察相機種類

航空偵察相機有多種分類方法，按照相機的成像光譜范圍可以分為可見光偵察相機、紅外偵察相機、紫外偵察相機和多光譜偵察相機，而紅外相機還有近紅外、中紅外和遠紅外的分別，紫外相機又有紫外和極紫外的區別；按相機的成像介質分類可分為傳統的膠片式相機、CCD相機和CMOS相機；另外，按成像介質的工作模式又可分為線陣推掃、線陣擺掃、面陣推掃和面陣擺掃相機等；按照相機的成像方式還可分為垂直成像和傾斜成像，后者一般是通過擺掃的工作模式對臨近地面不可達區域進行偵照時采用，是目前較多采用的相機。

需要說明的是目前研制的軍用航空偵察相機已不再是上述某單一功能的相機，有的是兼具可見和紅外譜段的雙光相機，或者是能夠按要求進行垂直和傾斜方式切換的相機，甚至是容照相和跟蹤于一體的變焦距相機。

3 航空偵察相機簡介

3.1 膠片式相機

顧名思義，膠片式相機是利用航空膠片作為成像介質的航空偵察相機，一般來講，航空膠片都是全色、黑白、低感光度、高分辨率膠片，由于其顆粒度小，膠片式相機具有分辨率高、成像面積較大的優點，目前在役的航空偵察相機中還有一部分是膠片式相機。美國在1922年生產了一款名為STRIP CAMERA的膠片式相機，在二戰后就開始大規模生產膠片式航空偵察相機，其中KS-146膠片式相機是芝加哥航空工業公司1979年研制成功、八十年代初定型后生產，該相機除了裝備美國海軍、空軍以外還出口到以色列、埃及、土耳其、中國等國家。焦距長、照相分辨力高是KS-146相機的特點，另外還擁有自動曝光控制、自動調焦控制、像移補償控制、自動溫度控制和主動穩像控制等先進技術，是一種先進的全自動化的航空偵察畫幅式相機，它為未來的數字式航空偵察相機的自動控制技術奠定了基礎。但是，它也擁有膠片式相機的所有缺點，包括體積大、結構復雜、可靠性差、附屬設備多以及信息生成周期長等。

3.2 CCD相機

CCD是Charge Coupled Device（電荷耦合器件）的首字母縮寫，它是一種利用半導體材料的光電效應將光信號轉換成電壓或電流信號，從而完成對景物的影像進行記錄的器件。1970年，美國貝爾實驗室的Willlard S. Boyle和George E. Smith兩位科研工作者首次提出了CCD的概念，隨后建立了以一維勢阱模型為基礎的非穩態CCD的基本理論，同年，利用半導體技術研制出第一個CCD，并用它制成了世界上第一臺CCD相機。

通常的CCD分類方法是根據芯片中像元排列的結構將其分為線陣CCD和面陣CCD，線陣芯片中的像元呈一維線型排列，面陣芯片中的像元呈二維面型排列，如圖2所示。

另一種特殊的線陣CCD為TDICCD，它的物理結構是面陣的，但是采用時間延遲積分（TDI：Time Delay and Integration）的工作模式，通過對同一物體的多次曝光累加電荷產生圖像信號，如圖3所示。它增加了同一目標在像面上的曝光時間，提高了信號的信噪比，同時成像時電荷在不停的轉移，所以特別適合應用在光照條件不好且始終處于運動過程中的航空航天成像領域。

CCD的應用非常廣泛，隨著CCD器件的發展和升級換代，利用CCD成像的航空偵察相機也得到了快速的發展。CCD相機根據使用需求存在多種工作模式，包括線陣TDICCD的推掃成像、線陣TDICCD的擺掃成像、面陣CCD推掃成像、面陣CCD連續擺掃成像和面陣CCD步進分幅成像等，如圖4所示。

美國Goodrich公司的DB-110相機和ROI公司CA-295相機為當前較先進的航空偵察相機，這兩種相機都是中高空可見/紅外雙波段航空偵察相機，可晝/夜偵察拍照，其中DB-110相機的可見光成像利用了一個5120×64像元的TDICCD進行擺掃傾斜成像，而CA-295相機的可見光成像則是選擇了一個特制的5040×5040像元、集成了片上漸變像移補償功能進行步進分幅式成像。

3.3 航空偵察相機主要制造商

美國無論是在航空還是航天軍事偵察領域，都始終走在世界最前列。

全球主要的航空偵察相機制造廠商包括美國BAE Systems公司（前身為洛克希德-馬丁紅外成像部）和它的AN/AAD-5、D-500紅外掃描儀和吊艙系列產品；英國THALES Optronics公司（前身為W.Vinten公司）及其TYPE8010、8220、8042和MDS610等相機；德國Carl Zeiss Optronics公司及其VOS60相機等；美國Goodrich公司及其DB-110相機等；美國ROI公司及其CA系列相機。

4 分析與展望

縱觀軍用航空偵察相機近百年的發展史，隨著感光介質、材料制備、制造工藝、控制技術、調試方法、檢測手段等的持續發展和提高，同時在用戶使用需求的拉動下，相機也得到了不斷的更新和換代，對其發展分析和展望如下。

4.1 數字化成像

如前所述，傳統的膠片式相機擁有分辨率高、覆蓋范圍大、控制技術成熟等優點，但存在體積大、結構復雜、可靠性差、附屬設備多以及信息生成周期長等缺點，而數字化（CCD或CMOS）相機則不存在上述缺陷，其特點包括：

（1）與膠片式相機不同，它采用數字式成像器件作為圖像傳感器，所成的數字圖像經過一系列數字化處理和無線電傳輸技術，可以在地面控制實體內實時或近實時的得到目標區域的圖像。另外，在成像時通過相機自帶的POS系統或者與載機導航系統交聯，能計算出拍照時刻目標的位置，為指揮部門分析判定目標、把握戰機，提供實時和超視距的情報。而且，數字化圖像的無線電傳輸避免了類似曝光后的膠片盒返航后處理的二次曝光風險；

（2）與膠片式相機相比，數字化相機不存在供片、送片和收片等機構，并且基本不需要機械快門，增加了圖像存儲、壓縮板卡等數字化設備，一般來講，數字式板卡體積小、工作穩定性好且可靠性高，這樣就縮小了相機的體積，減小了重量，同時結構也變得更緊湊，提高了可靠性；

（3）一般航空膠片的光敏光譜波段范圍為500nm～700nm，而數字式光電傳感器的感光光譜波段范圍為500nm～900nm，這種數字傳感器具有一定的透霧成像能力，這使得相機在天氣條件不太理想如有薄霧時，也能獲得滿足使用要求的圖像。

當前數字式圖像的分辨率低于膠片圖像，而且在照片的細節和層次上也不如膠片型相機，不過隨著材料制備和制造工藝的不斷完善，傳感器指標也能不斷提高，數字化相機的性能將不斷改善。

需要說明的是，雖然目前數字式航空偵察相機使用的主要是CCD傳感器，但CMOS技術出現于1969年，比CCD還早一年，只是由于存在填充因子小、噪聲大、靈敏度低和響應速度慢等缺陷導致其成像質量較差，早期只能用于對圖像質量要求不高的場合，直到1989年，出現了有源像元（APS：Active-Pixel Sensor），它不僅像無源像元一樣集成了光敏元件和尋址開關，而且還有信號放大和處理等電路，有源像元的出現，提高了光電靈敏度，減小了噪聲，擴大了動態范圍，使CMOS圖像傳感器的一些性能參數與CCD圖像傳感器相接近，而在幀頻、功能、功耗、尺寸和價格等方面要優于CCD圖像傳感器，CMOS圖像傳感器良好的集成性可以在很大程度上簡化相機的設計，可對感興趣區域的像素進行隨機讀取，實現開窗操作，增加了工作靈活性，所以得到越來越廣泛的應用。目前在工業和民用領域，CMOS圖像傳感器已基本代替了傳統的CCD傳感器，對于要求較高的航空航天領域，CMOS器件也在逐漸代替CCD。

4.2 面陣成像

如圖4所示，利用線陣探測器成像時，每一幀圖像都是通過線陣傳感器分時對不同的區域成像，然后合成一幅圖像，分時成像時如果載機出現較大的姿態變化將會導致所成圖像出現明顯的扭曲或變形等失真現象，而采用面陣探測器成像時，整個覆蓋面的地物在探測器上幾乎同時成像，可以獲得很高的幾何保真度，并可采用立體成像精確的跟蹤目標。圖5分別是某線陣推掃式相機所得圖像與某面陣成像相機的圖像，可以看出，線陣推掃式圖像中無論是道路、橋梁還是建筑都存在明顯的失真，而面陣圖像則較好的反映了景物間相對位置和比例關系。

另外，從面陣成像的特點可以看出，在相同時間內它比線陣探測器獲得的信息量大，即成像效率高，如果是在任務區面積固定的情況下，采用面陣成像偵照目標區域比采用線陣掃描成像所需的時間會少很多，這樣就大大縮短了在敵區域暴露的時間，尤其是在突防偵照時，可有效提高載機及飛行員的生存力。目前國外在役的軍用航空相機中，面陣成像是最主要的照相方式。

4.3 遠距離傾斜式高分辨率成像

對于航空偵察成像，有一種最普遍的需求就是當載機在本國領空進行邊境偵察時，沿邊界線內側上空飛行，對非友好領國臨近邊境線附近縱深的熱點區域或爭議地區的建筑、設施和人員活動等情況進行偵照和監視，或者是對臨近我領海進行海上勘探、作業和往來艦船進行巡邏、監控等，都要求偵察相機能夠進行遠距離傾斜式的高分辨率成像，同時對其進行定位和跟蹤，以發現對方的不友好行為，及時作出應對和調整措施。

4.4 多光譜成像

光譜成像是利用目標與背景景物間的固有光譜差別進行成像的，它與傳統的光電成像技術相比，具有更高的反欺騙能力，尤其適合對于人員和軍事裝備的外部偽裝和隱身等軍事偵察，因此光譜成像已越來越多的應用到軍用航空相機中，例如，工作在0.4μm～1.5μm譜段、分辨率為0.01μm的超光譜成像能區分綠色帆布和坦克上的偽裝涂料，而工作在3μm～12μm譜段、分辨率為0.001μm的極光譜成像技術能分析出類似氣體物質，可探測煙縷成分或空氣中是否存在神經性毒劑以及戰機尾焰的捕獲和跟蹤等。

目前的軍事偵察中，都是對同一目標區域同時進行可見、紅外及多光譜成像，有時甚至還包括合成孔徑雷達（SAR）成像，然后融合所有數據信息，通過觀察、比對和計算等，對目標進行全方位、多角度、立體式的分析、判斷和處理。

4.5 集成吊艙偵察

航空相機研制初期，受相機尺寸要求限制，同時也是為了給相機提供一個相對更好的成像環境，都是將相機安裝到飛機內部，通過機上的窗口對地偵照，這種相機的使用對載機要求較高，一般都屬于專用飛行平臺，不存在通用性，功能單一且可擴展性差，裝拆和維修都很不方便。隨著體積更小、性能更優越的航空相機的研制成功，使得方便實用的吊艙式偵察系統成為可能，它避免了對專用平臺的需求，接口簡單靈活，使用方便，通用性強，還可大大降低MTTR時間，另外，與在載機內部相比，吊艙里面可以更容易的增加或改造各類輔助設備，以適應用戶對偵察設備功能及性能提高的需求，同時也降低了產品研制、生成和采購的成本，縮短了更新換代周期。美國Goodrich公司的DB-110相機就是裝在RAPTOR偵察吊艙中。

5 結語

通過分析幾種典型航空偵察相機的特點，根據其發展狀況和技術前沿國家的發展動態，結合各種相機工作的優缺點、應用前景和方便實用性，給出了航空偵察相機未來數字化、面陣、遠距離傾斜式高分辨率成像、多光譜以及集成吊艙偵察的研究方向和發展趨勢。

參考文獻

[1]Andre G. Lareau. Electro-optical imaging array with motion compensation[J]. SPIE，1993，Vol.2023：65-79.

[2]Andrew J. Partynski. Dual band framing reconnaissance camera. USA：US6694094[P]，Feb.17，2004.

[3]Ken Riehi. RAPTOR （DB-110） Reconnaissance System： In Operation[J]. SPIE，2002，vol.4824：1-12.

[4]Davis Lange， William Abrams， etc. The Goodrich DB-110 System： Multi-Band Operation Today and Tomorrow[J]. SPIE，2003，Vol.5109：22-36.

[5]Brian A. Gorin. Side oblique real-time orthophotography with the 9k×9k digital framing camera[J]. SPIE，2003，Vol.5109：86-97.

[6]劉明，修吉宏，劉鋼，等.國外航空偵察相機的發展[J].電光與控制，2004，11（1）：56-59.

[7]王光，等編譯.KS-146長焦距航空照相機[M].北京：中國人民解放軍空軍司令部情報部，1989：6-15.

[8]劉明.航空偵察相機的發展分析[J].光機電信息，2011，28（11）：32-37.